Photovoltaik Stromertrag

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Kilowattstunde (kWh): Stromerzeugung einer PV-Anlage

Unter standardisierten Testbedingungen erzeugen Photovoltaikanlagen in Deutschland jährlich ca. 1.000 Kilowattstunden pro Kilowattpeak. Da diese Testbedingungen jedoch rein theoretischer Natur sind, weicht der tatsächliche Stromertrag mehr oder weniger davon ab. Wie groß diese Abweichungen sind, kann nicht pauschal gesagt, sondern muss detailliert betrachtet werden. Wir zeigen alle Faktoren auf, die den Ertrag beeinflussen. Anschließend stellen wir zwei Modelle vor, um den spezifischen Ertrag einer PV-Anlage zu berechnen – ganz formal und an einem Beispiel.

Solarstromerzeugung © Montebelli, stock.adobe.com
Solarstromerzeugung © Montebelli, stock.adobe.com

Die Einheit Kilowattstunde einfach erklärt

Die Maßeinheit Kilowattstunde (kWh) bezeichnet die Energie. Übertragen auf eine Photovoltaikanlage ist dies der erzeugte Strom bzw. der Stromertrag. Per definitionem entspricht eine Wattstunde der Energie, welche ein System mit einer Leistung von 1 Watt in einer Stunde aufnimmt oder abgibt. Eine leuchtende 12-W-LED-Glühbirne setzt in einer Stunde also 12 Wh um. Mit Messeinrichtungen erfasste Strom- und Heizwärmekosten werden mit dem Tausendfachen, der Kilowattstunde, abgerechnet.

Hinweis: Um endlos lange Zahlen zu vermeiden, benutzen Elektrizitätswerke potenzierte Vorsätze wie M für Mega (eine Million), G für Giga (eine Milliarde) und T für Tera (eine Billion) – genau wie bei der Nennleistung Wattpeak.
Die Angabe Peakleistung bezieht sich auf Test-Bedingungen
Die Angabe Peakleistung bezieht sich auf Test-Bedingungen

Nicht zu verwechseln ist die Energieleistung mit der Spitzenleistung:

  • Die Spitzenleistung, auch Nennleistung oder installierte Leistung, bezeichnet die Leistung, die eine PV-Anlage unter standardisierten (Ideal-)Bedingungen erbringen kann. Sie wird in der Einheit Kilowatt-Peak (kWp) angegeben.
  • Die in Kilowattstunden (kWh) angegebene Energieleistung bezeichnet die unter realen Bedingungen tatsächlich von der PV-Anlage erbrachte Leistung. Diese wird durch mehrere Faktoren beeinflusst und weicht meistens deutlich von der Nennleistung ab.
  • Setzt man beide Faktoren in Relation, kommt der spezifische Ertrag dabei heraus: Kilowattstunden pro Kilowatt-Peak (kWh/kWp). Je höher dieser Wert liegt, desto größer ist auch die Rendite.
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Faktoren, die den Ertrag beeinflussen

Die Testbedingungen – 1.000 Watt Strahlung bei nahezu senkrechtem „Sonnenstand“ sowie 25 Grad Celsius Zelltemperatur – haben zwar einen entscheidenden Vorteil: Sie gestatten es, unterschiedliche Solarmodule miteinander zu vergleichen. Dennoch wird die theoretisch angenommene Angabe Kilowatt-Peak selten erreicht. Dies liegt an den vielfältigen Einflussfaktoren:

Der Ertrag einer PV-Anlage hängt von verschiedenen Faktoren ab
Der Ertrag einer PV-Anlage hängt von verschiedenen Faktoren ab

Standortbedingungen

  • Globalstrahlung: Der Deutsche Wetterdienst DWD ermittelt stets die aktuellen Daten. Besonders aussagekräftig sind die 30-Jahres-Karten mit den mittleren Jahressummen. Für den Zeitraum 1991 – 2020 lag die Globalstrahlung je nach Region zwischen 975 und 1.259 kWh/m². Im Durchschnitt wurde ein Wert von 1.086 kWh/m² erreicht. Die innerdeutschen Unterschiede sind farbig markiert. Erfasst werden stets sowohl die direkte als auch die indirekte Strahlung.
  • Ausrichtung und Neigung des Daches: Optimum ist eine 100-prozentige Süd-Ausrichtung und ein Neigungswinkel zwischen 30° und 40°. Leichte Abweichungen wirken sich jedoch allenfalls mäßig aus. Stärkere Abweichungen können mit Hilfsmitteln optimiert
  • Verschattung: Schatten ist ein „No-go“! Da die Module in Strängen geschaltet sind, wirkt sich jeder Kernschatten ertragsmindernd aus. Verschattungen einzelner Solarzellen wie z.B. durch Vogelkot sind dagegen kein Problem, denn sie werden durch eingebaute Bypass-Dioden Beispiele für schattenwerfende Objekte sind Nachbargebäude, Bäume, Bodenerhebungen, aber auch Dachgauben, Satellitenschüsseln und Schornsteine.
Tipp: Verschattung nicht mit Wolkenschatten verwechseln! Zwar ist der Ertrag bei diffusem Licht deutlich geringer als bei einer direkten Einstrahlung. Anders als bei einer Teilverschattung durch Objekte gelangen aber noch beträchtliche Anteile an Solarstrahlung auf die Modulfläche.
Photovoltaikanlage: Schatten ist ein no go!
Photovoltaikanlage: Schatten ist ein no go!

Leistung der Photovoltaikanlage

Fast immer gilt: Die komplette Dachfläche ausnutzen ist optimal
Fast immer gilt: Die komplette Dachfläche ausnutzen ist optimal

Wechselnder Sonnenstand

Anders als die Wetterlage ist der tages- und jahreszeitbedingte Sonnenstand kalkulierbar – und mit ihm die Schwankungen im Ertrag. Bei der täglichen Veränderung werden Tagesgang und Jahresgang der Sonne unterschieden:

  • Tagesgang: Die uns geläufigen Begriffe Sonnenaufgang und Sonnenuntergang markieren den Anfang und das Ende des Tagbogens. Dieser ständige Wechsel des Sonnenstandes beeinflusst den stündlichen Ertrag. Das Problem dabei: Der Stromverbrauch ist meistens dann am höchsten, wenn die PV-Anlage am wenigsten Strom produziert: am Abend und am Morgen. Problemlöser kann hier die Anschaffung eines Stromspeichers
Tipp: Bei möglichen Alternativen die sinnvollere Ausrichtung wählen! Zeichnet sich häufig Frühnebel ab, kann eine nach Osten ausgerichtete Anlage zu reduzierten Erträgen führen.
  • Jahresgang: Es ist klar, dass bei schlechtem Wetter oder kürzerer Sonnenscheindauer im Winter weniger Ertrag mit der Photovoltaikanlage erzielt werden kann als bei strahlendem Sonnenschein oder besonders langer Sonnenscheindauer im späten Frühjahr und im Frühsommer. Mit anderen Worten: Das Angebot an solarer Strahlung verändert sich im Laufe des Jahres immer wieder. Und damit auch der Ertrag. Es gibt Datenbanken, die den Jahresgang für bestimmte Orte darstellen.
Der Standort entschiedet ebenfalls über die Leistung: Wo steht die PV-Anlage in Deutschland?
Der Standort entschiedet ebenfalls über die Leistung: Wo steht die PV-Anlage in Deutschland?
Tipp: Den Jahresgang gerade bei Inselanlagen auf dem Gartenhaus berücksichtigen! Die Speichergröße sollte sich nach der während der Gartensaison benötigten Stromzufuhr richten.

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Berechnung des Stromertrags

Um den jährlichen Stromertrag zu berechnen, können mehrere Modelle angewendet werden. Bereithalten sollte man folgende, je nach Berechnungsmodell notwendige Daten:

  • Jährliche Globalstrahlungssumme am Standort [kWh/m²]: Diese lässt sich von sogenannten Solaratlanten z.B. des Deutschen Wetterdienstes ablesen.
  • Jährliche Stromerzeugung am Standort [kWh/kWp]. Diese basiert zwar auf der Globalstrahlungssumme [kWh/m²], berücksichtigt jedoch zudem einige systembedingte Verluste. Ist bereits eine Anlage installiert, kann die Stromerzeugung am Stromzähler (Einspeisezähler, Eigenverbrauchszähler) abgelesen werden. Wenn nicht, hilft ein Trick, den wir etwas weiter unten vorstellen
  • Einstrahlungssituation, d.h. Dachneigung und -ausrichtung. Diese Angaben ergeben den Anlagen- oder Flächenfaktor f. Üblicher ist allerdings die 100-Prozent-Norm für die optimale Situation (je nach Standort unterschiedlich, in Deutschland meist jedoch 35° Dachneigung; optimaler Azimut ist immer 0° für Süden) – und entsprechende Werte für die Abweichungen. Hierfür sind Tabellen im Internet abrufbar. Wir nennen sie im Folgenden Neigungswinkel-Tabelle, die Werte Neigungsfaktor.
Hinweis: Flächenfaktor oder Anlagenfaktor f [%] = Summe der Einstrahlung auf die geneigte Fläche (Gg) / Summe der Einstrahlung auf die horizontale Ebene (Gh) x 100. Neigungsfaktor [%] = Abweichung des Neigungswinkels in Abhängigkeit von der Ausrichtung, ausgehend von 100% (Optimum).
  • Maximale Anlagenleistung [kWp] wie im Produktblatt angegeben.
  • Wirkungsgrad: Bei den meistverkauften monokristallinen Modulen variiert der Wirkungsgrad zwischen 18 und 22 Prozent.
  • Fläche der Anlage: Bei monokristallinen Modulen ist von 5-7 m² pro kWp Anlagenleistung auszugehen.

Ergänzt wird jeweils auch die Berechnung des spezifischen Ertrags. Er hat sich als sinnvollste Maßeinheit für die von PV-Anlagen erzeugte Energie durchgesetzt. Sein Vorteil: Die Angabe „pro Kilowattpeak“ erlaubt den Vergleich unterschiedlich großer Anlagen.

Spezifischer Ertrag in kWh/kWp in geneigter Modulebene. 2020 für PV-Anlagen mit einer Nennleistung bis 30 kWp © Hochschule Trier/Umwelt-Campus Birkenfeld
Spezifischer Ertrag in kWh/kWp in geneigter Modulebene. 2020 für PV-Anlagen mit einer Nennleistung bis 30 kWp © Hochschule Trier/Umwelt-Campus Birkenfeld

Berechnung über die Modulfläche

Das einfachste Modell ist zwar nicht ganz so genau, dafür aber in Minuten erstellt.

Die Formeln dazu lauten:

Jährlicher Anlagenertrag [kWh/Jahr] = Fläche der Anlage [m²] x jährliche Strahlungsleistung [kWh/m²] x Wirkungsgrad [%]

Jährlicher spezifischer Ertrag [kWh/kWp/Jahr] = Fläche der Anlage pro Kilowattpeak [m²/kWp] x jährliche Strahlungsleistung [kWh/m²] x Wirkungsgrad [%]

Etwas genauer wird die Berechnung unter Berücksichtigung von Ausrichtung und Neigung der Modulfläche sowie der Systemverluste.

Berechnung über die Nennleistung

Für das zweite Modell muss zunächst die Stromerzeugung am Standort bekannt sein. Deren Berechnung ist kompliziert, weshalb am einfachsten von einem etwas reduzierten Wert der Jahresglobalstrahlung ausgegangen wird. Erfahrungsgemäß ist ein Faktor von 0,95 ideal.

Und so wird gerechnet:

Jährlicher Anlagenertrag [kWh/Jahr] = Nennleistung der Anlage [kWp] x jährliche Stromerzeugung am Standort [kWh/kWp] x Neigungsfaktor [%]

Jährlicher spezifischer Ertrag [kWh/kWp/Jahr] = jährliche Stromerzeugung am Standort [kWh/kWp] x Neigungsfaktor [%]

Dieses Modell berücksichtigt neben dem Neigungsfaktor auch die Systemverluste.

Pro Kilowattpeak kann mit einem Ertrag von 900 -1100 Kilowattstunden rechnen
Pro Kilowattpeak kann man mit einem idealen Ertrag von 900 -1100 Kilowattstunden rechnen

Berechnung des Stromertrags an einem Beispiel

In unserem Beispiel berechnet Familie Schmidt den spezifischen Ertrag für eine geplante PV-Anlage mit Monokristallin-Modulen. Damit sich eine Gewinnermittlung erübrigt, soll die Anlage 10 kWp Spitzenleistung nicht überschreiten. Das Dach ist 45° nach Südwesten ausgerichtet und um 40° geneigt. In der Tabelle für die Abweichungen finden die Schmidts den Neigungsfaktor 93,3 %. Für den Standort Berlin verheißt der Solaratlas eine durchschnittliche Jahresglobalstrahlungssumme von 1.010 kWh/m². Die beiden Modelle führen zu folgenden Ergebnissen:

Frau Schmidt geht von einem mittleren Wirkungsgrad der Module und von 6 m² Dachfläche pro Kilowattpeak aus und kommt bei Rechenmodell 1 auf folgenden Wert:

Jährlicher spezifischer Ertrag = 6 [m²/kWp] x 1.010 [kWh/m²] x 0,2 = 1.212 kWh/kWp

Das sieht fantastisch aus, aber es fehlen ja auch noch die Verluste: Für den nicht ganz so optimalen Standort wird zuerst der Faktor 0,933 fällig, macht 1.131 kWh/kWp. Dann muss noch der Systemverlust von i. M. 14 % einkalkuliert werden. Das Ergebnis: 973 kWh/kWp.

Herr Schmidt wendet für Modell 2 die empfohlene Faktor-0,95-Regel für die Stromerzeugung an:

Jährlicher spezifischer Ertrag = 960 [kWh/kWp] x 0,933 = 895 kWh/kWp

Da beide Rechenmodelle nur Näherungswerte ergeben, möchte das Ehepaar Schmidt noch auf Nummer sicher gehen und die Ergebnisse überprüfen. Deshalb rufen sie das Internettool PVGIS der Europäischen Kommission auf und geben ihre Daten ein. Das Ergebnis deckt sich fast 100-prozentig mit dem des ersten Rechenmodells – es liegt bei 977 kWh/kWp.

Den Eheleuten ist bewusst, dass diese Werte nur bei verschattungfreien und sorgfältig gereinigten Modulen erreicht werden können. Da ihr Hausdach groß genug ist, planen sie nun die Anschaffung einer 9-kWp-Anlage. Der zu erwartende Ertrag von ca. 8.500 kWh pro Jahr ist für ihren Bedarf optimal, die staatlich festgelegte Obergrenze für die Vereinfachungsregelung unterschritten.

Fazit

Zum Glück gibt es im Internet eine Reihe von Ertragsrechnern, die alle wichtigen Faktoren bei der Berechnung des Energieertrags berücksichtigen. Mit ihnen lässt sich in wenigen Sekunden eine Ertragsprognose erstellen. Bei erweiterten Photovoltaik-Rechnern werden neben dem Standort der PV-Anlage (Postleitzahl des Ortes) und der Fläche, Neigung und Ausrichtung des Daches auch die Nutzungsgewohnheit und der jährliche Stromverbrauch in die Felder eingetragen. Diese Rechner ermitteln zudem die Wirtschaftlichkeit bei einer optimalen Modulanzahl. Auf einen Blick wird erkennbar, ob sich die geplante Investition lohnt.

Tipp: Mit einer Reihe von Möglichkeiten können Sie die Solarerträge relativ einfach optimieren. Unser Beitrag Ertragsoptimierung planen zeigt, wie es geht.
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